Primera simulación de un núcleo átomico con una computadora cuántica

Científicos del ORNL (Oak Ridge National Laboratory), Estados Unidos, han sido los primeros en simular con éxito un núcleo atómico utilizando una computadora cuántica.

Los resultados, publicados en Physical Review Letters, demuestran la capacidad de los sistemas cuánticos para computar problemas de física nuclear y sirven como punto de referencia para cálculos futuros.

La computación cuántica, en la que los cálculos se llevan a cabo sobre la base de los principios cuánticos de la materia, fue propuesta por el físico teórico estadounidense Richard Feynman a principios de los años ochenta. A diferencia de los bits normales de la computadora, las unidades qubit utilizadas por las computadoras cuánticas almacenan información en sistemas de dos estados, como electrones o fotones, que se consideran en todos los estados cuánticos posibles a la vez (un fenómeno conocido como superposición).

«En informática clásica, escribes en bits de cero y uno», dijo Thomas Papenbrock, físico nuclear teórico de la Universidad de Tennessee y ORNL, quien codirigió el proyecto con el especialista en información cuántica de ORNL, Pavel Lougovski. «Pero con un qubit, puede tener cero, una y cualquier combinación posible de cero y uno, por lo que gana un amplio conjunto de posibilidades para almacenar datos».

En octubre de 2017, el equipo ORNL multidivisional comenzó a desarrollar códigos para realizar simulaciones en las computadoras cuánticas IBM QX5 y Rigetti 19Q a través del proyecto Quantum Testbed Pathfinder del DOE, un esfuerzo para verificar y validar aplicaciones científicas en diferentes tipos de hardware cuántico.

Utilizando el software pyQuil de libre disponibilidad, una biblioteca diseñada para producir programas en el lenguaje de instrucción cuántica, los investigadores escribieron un código que se envió primero a un simulador y luego a los sistemas basados en la nube IBM QX5 y Rigetti 19Q.

El equipo realizó más de 700.000 mediciones de computación cuántica de la energía de un deuterón, el estado nuclear de un protón y un neutrón. A partir de estas mediciones, el equipo extrajo la energía de enlace del deuterón: la cantidad mínima de energía necesaria para desensamblarla en estas partículas subatómicas. El deuterón es el núcleo atómico compuesto más simple, por lo que es un candidato ideal para el proyecto.

«Los Qubits son versiones genéricas de sistemas cuánticos de dos estados. Para empezar, no tienen propiedades de un neutrón o un protón», dijo Lougovski. «Podemos asignar estas propiedades a los qubits y luego usarlos para simular fenómenos específicos, en este caso, energía de enlace».

Un desafío de trabajar con estos sistemas cuánticos es que los científicos deben ejecutar simulaciones de forma remota y luego esperar los resultados. El investigador de informática ORNL Alex McCaskey y el científico de investigación cuántica de información ORNL Eugene Dumitrescu realizaron mediciones individuales 8.000 veces cada una para garantizar la precisión estadística de sus resultados.

El equipo también descubrió que los dispositivos cuánticos se vuelven difíciles de manejar debido al ruido inherente en el chip, lo que puede alterar los resultados drásticamente. McCaskey y Dumitrescu emplearon con éxito estrategias para mitigar altas tasas de error, como agregar artificialmente más ruido a la simulación para ver su impacto y deducir cuáles serían los resultados con cero ruido.

Al finalizar el proyecto, los resultados del equipo en dos y tres qubits estaban dentro del 2 y 3 por ciento, respectivamente, de la respuesta correcta en una computadora clásica, y el cálculo cuántico se convirtió en el primero de su tipo en la comunidad de física nuclear.

La simulación de prueba de principio allana el camino para computar núcleos mucho más pesados con muchos más protones y neutrones en sistemas cuánticos en el futuro.

Fuente europapress.es